Please use this identifier to cite or link to this item:
http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/19468
Title: | Flow and Heat Transfer Control in a Rotating Flow Channel with Turbulence Promoters |
Other Titles: | การควบคุมการไหลและการถ่ายเทความร้อนในช่องการไหลที่หมุนด้วยตัวเพิ่มความปั่นป่วน |
Authors: | Chayut Nuntadusit Natthaporn Kaewchoothong Faculty of Engineering Mechanical Engineering คณะวิศวกรรมศาสตร์ ภาควิชาวิศวกรรมเครื่องกล |
Keywords: | Turbines;Heat exchangers;Heat Transmission |
Issue Date: | 2019 |
Publisher: | Prince of Songkla University |
Abstract: | The objective of this research is to study the local heat transfer distribution inside the cooling channel of the turbine blade with rib turbulators in order to give a uniform heat transfer distribution under the rotations. In this research, there are two main parts of the experiment, viz. the experiment in a stationary straight channel and a rotating serpentine channel. For the stationary straight channel, it has a height (H) and width (W) of 75 mm. The rib height-to-hydraulic diameter ratio (e/Dh), the channel length-to-hydraulic diameter ratio (L/D) and rib pitch-to-height ratio (p/e) were selected at 0.133, 8 and 10, respectively. Fifteen different types of rib geometries used in this research, viz. 90°, 30°, 45° and 60° inclined ribs, 30°, 45° and 60° V-shaped ribs, 45° and 60° A-shaped ribs, 60° inclined ribs with different gap positions, and 60° V-shaped ribs with a gap, which these rib types were installed on two side walls. All experimental tests were carried out in the range of Reynolds number (Re) of 10,000 to 30,000. The local heat transfer coefficient distributions were conducted by using steady thermochromic liquid crystals (TLC) method. The friction factor and thermal performance factor were also performed to evaluate for each case. Furthermore, the commercial software, ANSYS ver. 15.0 (Fluent) was utilized to reveal the flow structure and heat transfer characteristic on the surface inside the stationary straight channel.For the rotating serpentine channel, there are two methods to measure the local heat transfer coefficient distribution on the surface, viz. the first method is steady thermochromic liquid crystals (TLC) method. In this method, the rotating serpentine channel has a height (H) and width (W) of 50 mm. The ratio of rib height-to-hydraulic diameter (e/Dh), the channel length-to-hydraulic diameter ratio (L/Dĥ), radius ratio (r/D) and rib pitch-to-height ratio (p/e) was selected at 0.1, 8, 5 and 10, respectively. Seven different types of rib geometries conducted in this method, viz. 90°, 45°, 60° inclined ribs, 60° V-shaped ribs (Case I), 60° V- shaped ribs by having 60° A-shaped ribs in the second-pass (Case II), and 60° V-shaped ribs by having 60° inclined ribs in the second-pass (Case III), and 60° V-shaped ribs with gap (Case IV), which all rib geometries were compared with the smooth serpentine channel. Also, the friction factor and thermal performance factor were also carried out to evaluate for all rib cases. For the second method is the naphthalene sublimation method. The rotating serpentine channel has a height (H) and width (W) of 15 mm. The ratio of rib height-to-hydraulic diameter (e/D1), the channel length-to-hydraulic diameter ratio (L/D), radius ratio (r/D) and rib pitch-to-height ratio (p/e) was selected at 0.133, 11.3, 22 and 10, respectively. Two different types of rib geometries studied in this method, viz. 90° and 60° inclined ribs. Both two methods were defined at the Reynolds number (Re) of 10,000 and rotation number (R,) were varied in ranges from 0.0 to 0.3. Moreover, the 3D flow field structures inside the rotating serpentine channel were revealed by using the commercial software, ANSYS ver. 15.0 (Fluent). For the case of the stationary straight channel, it is found that the heat transfer coefficient distributions on surface for the cases of 60° inclined ribs, 45°, 60° V-shaped ribs and 60° V-shaped ribs with gap were significantly high about 19.3%, 23.5%, 32.6% and 38.7% respectively when compared with the case of 90° ribs because effect of the secondary flow induced by the inclination of rib, attaches on surface. This flow can help to reduce the boundary layer thickness. As a result, the heat transfer rate increases. The highest average heat transfer coefficient on the surface was achieved for the angle of 60° V-shaped ribs with a gap when compared with other rib cases. Because the 60° V-shaped ribs generated the complex secondary flow field that induced by the inclination of rib and effect of flow through a gap. Besides, it is indicated that the case of 60° V-shaped ribs with a gap gives the best thermal performance when compared to the other rib cases. For the case of the rotating serpentine channel, the results show that the trend of the average heat transfer ratios (Nu/Nu。) for all rib cases increases with increasing the rotation number (R.). The average heat transfer ratios in the first-pass were highest on the TS wall (Pressure side wall) followed by the LS wall (Suction side wall). This trend was similar in the turn region as well. Whereas, the average heat transfer ratios in the second-pass was highest for the LS wall followed by the TS wall. Furthermore, the average heat transfer ratios in the cases of V-60° rib having 60° inclined ribs in second pass (case III) and V-60° rib with a gap (case IV) are high about 21.8% and 25.4% when compared with a smooth wall case, and high in range of 10-15% when compared with other rib cases. The friction factor (f/fo) in the case of 60° inclined rib gave the highest f/f, while the 60° V-shaped ribs by having 60° inclined ribs in the second-pass (Case III), and 60° V-shaped ribs with a gap (Case IV) provide the best thermal performance. Also, the flow field structure inside the serpentine channel due to rotation |
Abstract(Thai): | งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาการกระจายการถ่ายเทความร้อนบนพื้นผิวภายในช่องระบายความร้อนของใบเทอร์ไบน์โดยการติดตั้งตัวสร้างความปั่นป่วนด้วยครีบเพื่อที่จะให้เกิดการกระจายการถ่ายเทความร้อนสม่ําเสมอภายใต้การหมุน ในงานวิจัยนี้ มีการทดลอง 2 ส่วน ได้แก่ การ ทดลองในช่องตรงอยู่กับที่และช่องคดเคี้ยวหมุนสําหรับช่องตรงอยู่กับที่ ช่องการไหลมีความสูง (H) และความกว้าง (W) เท่ากับ 75 มิลลิเมตร อัตราส่วนของความสูงครีบต่อไฮดรอลิคของช่องการไหล (e/D) อัตราส่วนของความยาว ของต่อไฮดรอลิคช่องการไหล (L/D) และอัตราส่วนของระยะพิท (p/e) เท่ากับ 0.13, 8 และ 10 ตามลําดับ รูปแบบของครีบที่ใช้ในงานวิจัยนี้มี 15 แบบ ได้แก่ (1) ครีบทํามุมเอียง 90°, 300, 45° และ 60° (2) ครีบทํามุมเอียงรูปตัววี 30°, 45 และ 60° (3) ครีบทํามุมเอียงรูปวีกลับ 45° และ 60° (4) ครีบทํามุมเอียง 60° ที่มีตําแหน่งช่องว่างต่างกัน และ (5) ครีบรูปแบบวกกลับทํามุมเอียง 60° ที่มี ช่องว่าง ซึ่งรูปแบบครีบเหล่านี้ถูกติดตั้งบนผนังทั้งด้านบนและด้านล่างของช่องการไหล ค่าตัวเลขเรย์ โนลด์ที่ใช้ในการทดลองทั้งหมดเท่ากับ 10,000 ถึง 30,000 ค่าการกระจายสัมประสิทธิ์การถ่ายเท ความร้อนถูกวัดโดยใช้แผ่น thermochromic liquid crystals (TLC) การทดลองนี้ยังวัดค่า สัมประสิทธิ์แรงเสียดทานและสมรรถนะเชิงความร้อน นอกจากนี้ โครงสร้างการไหลและลักษณะการถ่ายเทความร้อนบนพื้นผิวภายในช่องตรงอยู่กับที่ถูกศึกษาโดยใช้โปรแกรมทางพลศาสตร์ของไหลANSYS ver. 15.0 (Fluent)สําหรับช่องคดเคี้ยวหมุน การวัดค่าของการกระจายสัมประสิทธิ์การถ่ายเทความ ร้อนบนพื้นผิว มี 2 วิธี ได้แก่ วิธีแรกคือ ใช้แผ่น thermochromic liquid crystals (TLC) ซึ่งมีความ สูงของช่องคดเคี้ยวหมุน (H) และความกว้าง (W) เท่ากับ 50 มิลลิเมตร มีอัตราส่วนของความสูงครับ ต่อไฮดรอลิคของช่องการไหล (e/D) อัตราส่วนของความยาวของต่อไฮดรอลิคช่องการไหล (L/D ) อัตราส่วนของรัศมีการหมุน (1/DA) และอัตราส่วนของระยะพิท (p/e) เท่ากับ 0.1, 3, 5 และ 10 ตามลําดับ รูปแบบของครีบที่ใช้ใน มี 7 แบบ ได้แก่ (1) ครีบทํามุมเอียง 90°, 45° และ 60° (2) ครีบ ทํามุมเอียงรูปตัววี 60° (กรณี 1) (3) ครีบทํามุมเอียงรูปตัววี 60° โดยมีครีบทํามุมเอียงรูปตัววีแบบ วกกลับกลับ 60° ในกลับที่สอง (กรณี II) (4) ครีบทํามุมเอียงรูปตัววี 60° โดยมีครีบทํามุมเอียง 60° ใน กลับที่สอง (กรณี III) และ (5) ครีบทํามุมเอียงรูปตัววี 60° ที่มีช่องว่าง (กรณี IV) ซึ่งรูปแบบของครีบ ทั้งหมดจะถูกเปรียบเทียบกับช่องคดเคี้ยวแบบผิวเรียบ นอกจากนี้ ค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานและ ค่าสมรรถนะเชิงความร้อนยังถูกวัดในทุกกรณีของการทดลอง สําหรับวิธีที่สองคือ วิธีการระเหิดของ ลูกเหม็น ในวิธีการนี้ มีความสูงของช่องคดเคี้ยวหมุน (H) และความกว้าง (W) เท่ากับ 15 มิลลิเมตร มี อัตราส่วนของความสูงครีบต่อไฮดรอลิคของช่องการไหล (e/D) อัตราส่วนของความยาวของต่อไฮ ดรอลิคซ่องการไหล (L/D) อัตราส่วนของรัศมีการหมุน (7/D) และอัตราส่วนของระยะพิท (ple) เท่ากับ 0.133, 11.3, 22 และ 10 ตามลําดับ รูปแบบครีบที่ใช้ในวิธีการนี้ มี 2 แบบ ได้แก่ ครีบทํามุม เอียง 90° และ 60° กําหนดค่าตัวเลขเรย์โนลด์คงที่ที่ 10,000 และค่าตัวเลขการหมุน (R) ถูกกําหนด ในช่วง 0.0 ถึง 0.3 นอกจากนี้ โครงสร้างของการไหลภายในช่องคดเคี้ยวหมุนถูกศึกษาโดยใช้ โปรแกรมทางพลศาสตร์ของไหล ANSYS ver. 15.0 (Fluent)สําหรับกรณีของช่องตรงอยู่กับที่ ผลการทดลองพบว่า การกระจายสัมประสิทธิ์การ ถ่ายเทความร้อนบนพื้นผิวที่มีการติดตั้งครีบ สําหรับครีบทํามุมเอียง 60° ครีบทํามุมเอียงรูปตัววี 45° และ 60° และครีบทํามุมเอียงรูปตัววี 60° ที่มีช่องว่าง มีค่าการถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยสูงอย่างมี นัยสําคัญประมาณ 19.3%, 23.59%, 32.6% และ 38.7% ตามลําดับ เมื่อเทียบกับกรณีมุมครีบ 90° เพราะผลของการไหลอันดับที่สองที่เหนี่ยวนําโดยครีบเอียงไหลปะทะบนพื้นผิว พฤติกรรมการไหลนี้ ช่วยลดความหนาของชั้นขอบเขต ส่งผลให้การถ่ายเทความร้อนเพิ่มขึ้น การกระจายการถ่ายเทความ ร้อนสูงสุดเกิดที่กรณีครีบรูปตัววีเอียงทํามุม 60° ที่มีช่องว่าง เมื่อเทียบกับครีบกรณีอื่นๆ เพราะครับ รูปตัววีเอียงทํามุม 60° ที่มีช่องว่าง สร้างการไหลอันดับสองที่ซับซ้อนเหนี่ยวนําโดยมุมเอียงของครีบ และยังมีผลของการไหลผ่านช่องว่าง นอกจากนี้ ผลการทดลองพบว่า ครีบทํามุมเอียงรูปตัววี 60° ที่มี ช่องว่าง ให้ค่าสมรรถนะเชิงความร้อนดีที่สุด เมื่อเทียบกับครีบกรณีอื่นๆสําหรับกรณีของช่องคดเคี้ยวหมุน ผลการทดลองพบว่า แนวโน้มของอัตราการ ถ่ายเทความร้อนเฉลี่ย (Nu/Nu) สําหรับทุกกรณีของครีบเพิ่มขึ้นที่การเพิ่มขึ้นของตัวเลขการหมุน (R) อัตราการถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยในช่องกลับแรกสูงสุดที่ผนัง TS (ผนังด้านความดัน) ตามด้วยผนัง LS (ผนังด้านดูด) ซึ่งแนวโน้มนี้คล้ายกับผลในส่วนกลับ ในขณะที่ อัตราการถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยใน กลับที่สองสูงสุดที่ผนัง LS ตามด้วยผนัง TS นอกจากนี้ อัตราการถ่ายเทความร้อนเฉลี่ยในกรณีของ ครีบทํามุมเอียงรูปตัววี 60° โดยมีครีบทํามุมเอียง 60° ในกลับที่สอง (กรณี III) และครีบทํามุมเอียงรูป ตัววี 60° ที่มีช่องว่าง (กรณี IV) ให้ค่าสูงกว่าประมาณ 21.8% และ 25.4% เมื่อเทียบกับกรณีผนัง เรียบ และยังให้ค่าสูงในช่วง 10-15% เมื่อเทียบกับกรณีครีบรูปแบบอื่นๆ ค่าแฟกเตอร์ความเสียดทาน (f/fo) ในกรณีครีบรูปตัววีทํามุมเอียง 60° ให้ค่า f/f6 สูงสุด ในขณะที่ ครีบทํามุมเอียง 60° ในกลับที่ สอง (กรณี II) และครีบรูปตัววีทํามุมเอียง 60° ที่มีช่องว่าง (กรณี IV) ให้ค่าสมรรถนะเชิงความร้อนดี ที่สุด นอกจากนี้ ยังพบว่า โครงสร้างสนามการไหลภายในช่องที่คดเคี้ยวเนื่องจากการหมุนสร้างการ ไหลอันดับสองที่ซับซ้อน มันสามารถช่วยเพิ่มการถ่ายเทความร้อนอย่างมีนัยสําคัญบนพื้นผิว โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พื้นผิว IS ในช่องกลับแรกและพื้นผิว / ในช่องกลับที่สอง |
Description: | Doctor of Philosophy (Mechanical Engineering), 2019 |
URI: | http://kb.psu.ac.th/psukb/handle/2016/19468 |
Appears in Collections: | 215 Thesis |
Files in This Item:
File | Description | Size | Format | |
---|---|---|---|---|
435359.pdf | 176.81 MB | Adobe PDF | View/Open |
This item is licensed under a Creative Commons License